1、智能化母猪养殖管理系统设计 赵培杰 林都 鲜浩 梁伟 中北大学计算机与控制工程学院 摘 要： 在嵌入式技术和射频识别技术的基础上, 设计了母猪的智能化养殖管理系统。智能化饲喂站的模块化设计包括:饲喂进门、饲喂控制、分离控制和发情监测。文章介绍了这几部分的设计方法和工作原理, 并介绍了上位机管理系统的组成和功能。通过在母猪养殖场的实际投入测试, 表明系统可稳定良好地运行, 可对母猪进行智能化的管理。关键词： 嵌入式; RFID; 智能化; 作者简介：赵培杰 (1992-) , 男, 山西文水人, 硕士研究生, 研究方向为:嵌入式系统。E-mail:作者简介：林都 (1958-) , 男, 福建永
2、泰人, 博士, 教授, 研究方向为:系统建模与仿真。E-mail:收稿日期：2017-03-21基金：山西省科技厅攻关项目 (20130311026-2) Design of Intelligent Beeding System of SowsZHAO Pei-jie LI Du XIAN Hao LIANG Wei School of Computer Science and Control Engineering, North University of China; Abstract： Based on the embedded and RFID (radio frequency ide
3、ntification) technology, a set of intelligent sow feeding management system was designed in this paper.It mainly introduces the modular design of the system, including the design method and working principle of feeding-door, feeding control, separation control and estrus monitoring.And it introduces
4、 the composition and function of upper machine management system.The actual test in the sow farm indicated that the system can run well and stable, intelligently manage sow, save farming costs, and improve the benefits in late phase.Keyword： embedded; RFID; intelligent; Received： 2017-03-21近年来, 计算机科
5、学技术突飞猛进极大地促进了养殖生产技术的提高, 以其为基础的养殖业也有了快速的发展, 伴随着现代化高新技术逐渐渗透到新的养殖模式中, 养殖业在农业经济中所占的比例不断提高1-2。随着荷兰、美国等发达国家的先进智能养殖技术不断被我国养猪业借鉴和吸收, 我国养猪业集约化、规模化进程发展越来越快。在这样的大背景下, 我国的生猪规模化养殖也取得了突飞猛进的发展, 为人民提供了稳定的猪肉产品来源。目前, 我国中小型母猪养殖场占市场份额比重较大, 国外性能好的自动化饲喂装置价格高, 若将其引入, 必然会导致这些中小型养殖场成本增加。而国内对针对这类型自动化设备的公司或科研机构也不多。针对以上弊端和不足,
6、有必要研究自动化程度高且可实现精确投放饲料的自动精确饲喂系统3-6。在这种情况下, 针对中小型母猪养殖场的现状, 对母猪的智能化养殖过程进行构思, 设计了适合我国中小规模企业的母猪养殖管理系统。1 系统总体设计整个系统主要由集中管理控制中心 (上位机系统) 与下位机控制和监测子系统 (下位机系统) 组成。上位机系统由 PC 作为控制的核心枢纽, 接收下位机系统检测和记录到的上传数据, 同时根据专家数据库以及饲养员经验, 对获取到的数据分析处理后, 发送相应的命令给下位机系统, 实现对饲喂站系统的智能控制以及对母猪的数据管理和智能化养殖。下位机是整个系统的执行部分, 子系统有:智能化饲喂站控制系
7、统、喷色及分离系统, 发情母猪监测系统。系统基于射频识别技术 (RFID) 识别母猪身份, 以 LJD-eWinV5-LK7 嵌入式工控机作整个系统的控制器, 以 WinCE6.0 作为软件平台的操作系统, 通过 USB-WiFi 实现各个饲喂单元的数据同步与上位机之间的通信。系统的总体框图如图 1 所示。系统对每头母猪都有一个唯一的身份编号, 把每头猪作为一个个体加以区分。对每头母猪的信息都进行数据库存储 (健康状况, 进食信息, 是否发情等) , 方便饲养员对母猪的信息进行调取, 能够随时对母猪的状态进行监测, 对状况不佳的母猪及时与其他母猪分离, 确保其不会影响其它正常猪只。上位机通过管
8、理系统的专家数据库对个体母猪的饲喂次数、饲料种类进行计算, 分析个体母猪的健康以及发情状况, 一旦出现异常便及时请求下位机母猪做出相应处理。2 下位机控制系统设计下位机控制系统是整个母猪智能化饲喂系统的硬件核心, 主要由三个饲喂系统和一个发情监测站构成, 每个饲喂站都是一个基本的组织单元, 饲喂站之间又可以通过无线建立通信连接, 数据共享, 以便实现精确饲喂。如图 2 是下位机智能控制原理。2.1 饲喂站控制系统饲喂站控制系统有:饲喂进门智能控制, 饲料控制和智能化分离控制。图 3 是饲喂站机械架构模型。2.1.1 饲喂进门控制当母猪走到饲喂站进门控制处, 饲喂站门口的耳标阅读器会读取当前母猪
9、的信息, 耳标阅读器会把信息传送到嵌入式工控机, 工控机会根据存储在数据库里的信息进行对比分析, 判断当前母猪的进食量是否已经达标, 如果没有达到喂食要求就给饲喂门控的直流电机发送开门控制信号将饲喂门打开, 使母猪通过通道在饲喂槽进食。图 1 系统总体框图 Fig.1 Overall diagram of the system 下载原图只要有一只猪进入饲喂通道, 饲喂门锁便会自动上锁, 此时通道内保证只有一头猪进食。若饲喂门处有其他母猪拱门, 只要道内的母猪没有完成进食, 那么饲喂进门直流电机便不会工作, 饲喂门锁则会一直处于关闭状态。在通道内进食的母猪的进食时间设定为 10min, 系统每隔
10、十分钟进行一次检测, 达到设定时间后, 直流电机开始工作, 将饲喂门门锁打开, 下一只需要进食的母猪进入通道进食, 若在设定的时间限制内, 母猪离开进食槽或该猪的饲喂量已达标, 工控机会对门锁提前进行控制, 使下头母猪进入通道内进食 (图 4) 。图 3 饲喂站机械架构模型 Fig.3 Mechanical architecture model of the feeding station 下载原图2.1.2 饲料控制饲料控制是保证母猪顺利成长的关键步骤, 这部分是对个体母猪的进食总量, 每次进食量, 进食欠量进行智能化控制。主要功能是控制系统下料的多少以及下料的种类。系统会通过每头母猪的耳标
11、对其进行监管, 通过耳标传入系统的数据来判断每头母猪的进食情况, 若该母猪未进食, 则在母猪进入饲喂通道后, 系统根据传回的数据在进食槽内下规定量的料;若监测到该母猪已进食, 则通过耳标来判断该猪是否进食达标, 并根据已数据库中的设定值进行智能化投料。图 2 下位机系统原理图 Fig.2 The schematic diagram of hypogynous machine 下载原图图 4 饲喂门控 Fig.4 The gating of feeding station 下载原图2.1.2.1 日进食量此数据是根据个体母猪的综合数据按照母猪养殖饲喂量计算公式设定的猪只一日所需的总料量。综合数据
12、记录了母猪的体重、膘厚、妊娠情况等。饲喂量计算公式是饲养员及专家长期观察、记录、总结出的科学方法。2.1.2.2 一次进食量即母猪每次进食所需的饲料量。根据综合数据 (与日进食量的综合数据相同) 以及当日进食情况, 分析母猪单次所需的饲料量, 以及所需的饲料种类 (图 5) 。图 5 饲喂管理流程 Fig.5 Flow chart of feeding management 下载原图2.1.3 喷色、分离控制喷色、分离控制进行的工作是对进食完的母猪进行检测, 是保证母猪健康状况的重要部分, 当母猪进食完成后, 在饲喂通道出口位置安装的分离耳标阅读器会读取该母猪的耳标数据, 将耳标的 ID 号传
13、送给嵌入式工控机, 工控机则根据数据库中记录的该头母猪几日内的进食量多少, 进食种类比例, 是否在洞口进行嗅探以及嗅探次数及时间长短判断母猪的身体状况, 一旦母猪出现异常情况则再进一步判断该母猪的具体情况, 进一步分析数据, 工控机通过控制喷色机对应喷出红 (疑似发情) , 蓝 (疑似生病) , 黄 (其他状况) 之一在母猪身上, 便于饲养员与其他母猪进行区分, 此时, 工控机控制饲喂通道出口处的分离门锁打开, 关闭正常饲喂通道出口门, 此时母猪进入分离区等待饲养员做进一步处理。2.2 发情监测发情监测是监测母猪是否处于发情期, 从而提高母猪产仔率, 发情监测依据“公猪效应”和进食量及各饲料比
14、重进行推断, 在嗅洞处安装有一个检测器, 若有母猪在嗅洞处进行嗅探, 则监测器将会把该母猪的耳标 ID 记录下来。通过数据库记录的母猪发情条件, 来判断该母猪是否处于发情期。若该母猪处于发情期, 则饲养员对分离的发情期母猪进行授精, 同时将该母猪的信息传入数据库, 方便饲养员进行管理监测。当母猪成功授精后, 系统会根据该母猪的预产期在其预产期内进行提醒, 使饲养员及早做好为母猪分娩的准备。3 上位机管理系统设计与测试上位机系统管理软件为养殖场工作人员提供了科学化的监管依据, 方便工作人员及时对母猪进行智能化管理, 降低了病猪的死亡率, 提高了母猪的产仔率, 增加了养殖场收益, 摆脱了对外国自动
15、化养殖系统的依赖7-9。在本系统当中使用 Microsoft SQL Server 2008 数据库, Windows 下开发工具采用 Microsoft Visual Studio 2008, C#为开发语言。上位机管理系统软件可分为两部分:应用程序和数据库。其中数据库不仅记录了所设定好的细信息, 还用来存储母猪的综合数据;应用程序的作用是实现对母猪的智能化控制:控制饲料给定、母猪日数据的存储、处理、对异常母猪预警等。管理软件主要包括:操作登陆界面, 数据设置, 个体母猪数据记录处理、智能化下料, 发情监测、软件串口管理、母猪销售记录模块。图 6 为母猪智能化管理系统登录界面, 图 7 软件
16、系统界面。图 6 智能化管理软件系统登录界面 Fig.6 Login interface of the intelligent management software system 下载原图选取太原市晋源区康龙母猪养殖场作为测试地, 试用设计的母猪智能化管理系统, 在养殖场随机取 4 个猪舍安装了监测设备, 以 100 头母猪为监测对象, 进行为期 10 个月的监测试用。通过测试, 系统界面良好, 运行稳定。经过对母猪的数据采集分析, 与过去采用限位栏养殖模式相的母猪。比, 采用智能化养殖模式饲料用量减少 10.62%;减少了母猪死亡率;发情监测准确率提高了 18.08%。可见系统相对养殖场以
17、前的限位栏养殖模式下节省了饲料, 可及时监测母猪的身体状况和处于发情期图 7 母猪智能化管理软件系统 Fig.7 Software system of intelligent management for sow 下载原图参考文献1朱军, 麻硕士, 毕玉阁, 等.种猪数字化养殖平台的构建J.农业工程学报, 2010, 26 (4) :215-219. 2叶娜, 黄川.荷兰 Velos 智能化母猪饲养管理系统在国内猪场的应用J.养猪, 2009 (2) :41-42. 3朱军, 麻硕士, 慕厚春, 等.种猪自动精细饲喂系统设计与实验J.农业机械学报, 2010, 41 (12) :174-177. 4苏希.商品猪精细养殖生产管理系统在国内猪场的应用D.北京:中国农业科学院, 2005. 5胡向东.基于市场模型的我国猪肉供需研究D.北京:中国农业科学院, 2011:129. 6范永存, 张长利等.奶牛精量饲喂系统研究J.农业机械学报, 2009, 40 (S) :65-68. 7邱航.基于无线传感网络的结构健康监测客户端系统研究与设计D.湖北武汉:武汉理工大学, 2010. 8李艳杰.管理信息系统M.南京:东南大学出版社, 2005. 9董鹏永.基于 RFID 的矿井人员定位系统应用研究D.河南焦作:河南理工大学, 2008.
